Wissenschaftler der Stanford University School of Medicine erklären, warum zwei potenziell tödliche Krankheitserreger nach einer Antibiotika-Behandlung in der unwirtlichen Umgebung des Darms Fuß fassen.
Die Forscher schreiben in der Zeitschrift Nature dass ihre Ergebnisse helfen könnten, Wege zu finden, um den Auswirkungen der Verarmung von „freundlichen Darmbakterien“ nach einer Antibiotikabehandlung entgegenzuwirken.
Mehrere Darmpathogene können während einer Antibiotikabehandlung ernsthafte Probleme verursachen. Der Hauptautor Justin Sonnenburg, PhD, sagte: „Antibiotika öffnen die Tür für diese Erreger, um sich festzusetzen. Aber wie genau das geschieht, ist nicht gut verstanden worden.“
Die Autoren erklärten, dass es einen signifikanten Anstieg der Kohlenhydratverfügbarkeit im Darm vierundzwanzig Stunden nach der Verabreichung von oralen Antibiotika gibt. Dieser vorübergehende Überschuss an Kohlenhydraten sowie eine Reduzierung der „guten Bakterien“ im Darm ermöglichen mindestens zwei potenziell lebensbedrohlichen Krankheitserregern eine schnelle Vermehrung.
In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler enorme Fortschritte im Verständnis der Vorgänge im „komplexen mikrobiellen Ökosystem“ gemacht, das im Dickdarm jedes gesunden Säugetiers, einschließlich des Menschen, existiert.
Ungefähr 1.000 verschiedene Arten von Mikroben koexistieren harmonisch im Darm eines typischen gesunden Menschen. Diese Bakterienstämme, die diese schwierige, aber nährstoffreiche Nische bewohnen, haben sich extrem gut angepasst, so gut sogar, dass wir ohne sie kaum überleben könnten.
Freundliche, darmbewohnende Bakterien synthetisieren Vitamine, sie sind der Schlüssel zur Steuerung unseres Immunsystems, sie sind an der Entwicklung und Erhaltung unseres eigenen Gewebes beteiligt – sie helfen sogar, den Blutdruck zu regulieren.
Antibiotika-Medikamente zerstören dieses Darm-Mikroben-Ökosystem. Die guten Bakterien beginnen sich innerhalb weniger Tage schnell zu vermehren und sind innerhalb eines Monats wieder auf dem normalen Stand. Allerdings, so die Autoren, „scheint das Ökosystem unter dem permanenten Verlust einiger seiner konstituierenden Bakterienstämme zu leiden“.
Die Wissenschaftler vergleichen diese freundlichen Bakterien mit einer Art Rasen, der das Unkraut (pathogene Bakterien) mit dem reichhaltigen Dünger, der durch unseren Darm fließt, besiegt. Frühere Studien haben angedeutet, dass unsere freundlichen Bugs Chemikalien absondern, die verhindern, dass die pathogenen Bakterien die Kontrolle übernehmen.
Es gibt die Theorie, dass, wenn unser inneres mikrobielles Ökosystem gestört ist, die Reaktionsfähigkeit unseres Immunsystems darunter leidet.
Sonnenburg sagte:
„Während diese Hypothesen sich keineswegs gegenseitig ausschließen, unterstützt unsere Arbeit insbesondere die Vermutung, dass unsere ansässigen Mikroben Krankheitserreger in Schach halten, indem sie um Nährstoffe konkurrieren.“
Wenn diese Abwehrkräfte geschwächt sind, wie es meist kurz nach Beginn einer Antibiotika-Kur der Fall ist, können plündernde Erreger wie Clostridium difficile Fuß fassen.
Sobald sich diese beiden parasitären Eindringlinge in ausreichender Zahl vermehrt haben, lösen sie eine Entzündung aus. Während eine Entzündung keine gute Umgebung für die Wiederherstellung guter Bakterien ist, gedeihen C. difficile und Salmonellen in ihr.
Sonnenburg und Kollegen konzentrierten sich auf zwei bestimmte Nährstoffe im Darm – Fucose und Sialinsäure – beides Mitglieder der Zuckerfamilie. Das sind keine Zucker, die den meisten Menschen bekannt sind, aber sie sind lebensnotwendig für ein gesundes Überleben und werden in jeder Zelle des menschlichen Körpers produziert. Sie sind auch in Milchprodukten, Eiern und Fleisch enthalten.
Darmbakterien fressen Schleim
Zellen, die den Darm auskleiden, stoßen lange Ketten aus bekannten und exotischen Zuckern aus, die miteinander verbunden sind und Schleim bilden.
Schleim hat zwei Funktionen:
- er hindert ansässige Mikroben daran, durch die Darmwand in den Blutkreislauf zu gelangen
- er ist eine lebenswichtige Nahrungsquelle verschiedener Zucker, einschließlich Sialinsäure und Fucose, für die ansässigen Mikroben
Sonnenburg sagte: „Unsere Darmmikroben sind sehr geschickt darin, Schleim zu essen.“
Sonnenburg und Kollegen experimentierten mit Labormäusen, die in einer keimfreien Umgebung aufgezogen worden waren. Diese Mäuse unterschieden sich stark von normalen Mäusen – ihr Darm hatte keine Bakterien.
Die Wissenschaftler führten einen einzigen Bakterienstamm in diese keimfreien Tiere ein – Bacteroides thetaiotaomicron, ein freundlicher Bakterienstamm, der im Darm von normalen Mäusen und Menschen vorkommt. B. theta besitzt Enzyme, die Zuckermoleküle aus den Schleimketten herauslösen, die an der Darmschleimhaut baumeln. B. theta fehlen die Enzyme, um die Moleküle, aus denen die Sialinsäure besteht, abzubauen.
Es mag sinnlos erscheinen, dass B. theta Zuckermoleküle, die es nicht aufspalten kann, für die Nahrung ablöst. In einem normalen Darm gibt es jedoch mehrere andere Mikroben, die die Sialinsäure- und Fucosemoleküle abbauen können. Ein normaler Darm ist voll von Mikroben, die Nahrungsmittel aufspalten können, die B. theta nicht kann, aber braucht.
Die Autoren nennen es ein Tauschsystem, Ökologen nennen es Symbiose. (Vielleicht löst B. theta diese Zuckerreste, um an andere, essbare Zuckerreste darunter zu gelangen.)
In einer Reihe von Experimenten schleusten die Wissenschaftler entweder C. difficile oder den Salmonellenstamm S. typhimurium in die zuvor keimfreien Mäuse ein, die mit B. theta belastet waren. Diese beiden Bakterienstämme sind potenziell lebensbedrohlich, wenn sie bei Patienten, die Antibiotika erhalten, Krankheiten verursachen. Auch sie verbrauchen Sialinsäure zur Energiegewinnung, können diese aber nicht aus dem Darmschleim lösen.
Nachdem das Team herausgefunden hatte, dass C. difficile weder in der Lage ist, Fucose zu lösen, noch sie zu verbrauchen, konzentrierte es sich darauf, wie die beiden Erreger die Sialinsäure verwerten.
Die Wissenschaftler simulieren ein durch Antibiotika dezimiertes Darm-Mikroben-Ökosystem
Indem sie einen pathogenen und einen freundlichen Bakterienstamm in den Darm von ehemals keimfreien Mäusen einführten, konnten die Forscher nachweisen, dass die Sialinsäurekonzentration in Abwesenheit eines vollständigen mikrobiellen Darm-Ökosystems, das den Anstieg der Sialinsäurekonzentration verhindert hätte, erheblich anstieg. Die Tatsache, dass die Mäuse nur einen einzigen guten Bakterienstamm im Darm hatten, stellte eine Annäherung an ein durch Antibiotika dezimiertes Darm-Mikroben-Ökosystem dar.
Sowohl B. theta als auch S. typhimurium vermehrten sich schneller in Gegenwart dieser Zucker und ohne andere konkurrierende Mikroben. B. theta erzeugte einen Sialinsäure-Überschuss, der für den pathogenen Stamm ein Festmahl war.
Die Wissenschaftler beobachteten dann, welche Auswirkungen Antibiotika auf „normale“ Mäuse mit einem intestinalen Ökosystem haben könnten. Sie berichteten von der gleichen Zunahme der Sialinsäure und einer Populationsexplosion der pathogenen Bakterien. Wurden die Mäuse nur mit Antibiotika behandelt und nicht den Krankheitserregern ausgesetzt, gingen die Sialinsäurewerte innerhalb von etwa drei Tagen auf den Normalwert zurück, da sich die guten Bakterien zu erholen begannen.
Sonnenburg sagte:
„Die bösen Jungs im Darm fangen Nährstoffe ab, die von den guten Jungs freigesetzt wurden, die Opfer des Kollateralschadens durch Antibiotika sind. Antibiotika führen dazu, dass unsere freundlichen Darmbakterien diesen Krankheitserregern unwissentlich helfen.
Wir glauben, dass bakterielle Krankheitserreger im Darm in zwei Schritten Krankheiten verursachen. Andere haben gezeigt, dass diese Krankheitserreger, sobald sie eine ausreichende Anzahl erreicht haben, entzündungsauslösende Tricks anwenden, um unsere ansässigen freundlichen Mikroben auszulöschen – ohne Kosten für die Krankheitserreger selbst, weil sie Wege entwickelt haben, damit umzugehen. Aber zuerst müssen sie eine kritische Hürde überwinden: In Abwesenheit der Entzündung, die sie auslösen wollen, müssen sie irgendwie diese kritische Masse erreichen. Unsere Arbeit zeigt, wie sie das nach einer Dosis Antibiotika tun. Sie nutzen einen vorübergehenden Anstieg des verfügbaren Zuckers, der aus dem Darmschleim freigesetzt wird, der von abgetöteten kommensalen Mikroben zurückgelassen wird.“
Das Team glaubt, dass wir eines Tages ein Medikament entwickeln könnten, das die Enzyme hemmt, die von freundlichen Darmbakterien zur Freisetzung von Sialinsäure aus dem Schleim verwendet werden, und so den Krankheitserregern ihr Festmahl vorenthält. Das Medikament könnte dann zusätzlich zu Antibiotika verabreicht werden. Sie fügten hinzu, dass auch Probiotika in Form von Bakterienstämmen, die Sialinsäure schnell verdauen, einen ähnlichen Effekt erzielen könnten.
Die Studie wurde durch den Burroughs Wellcome Fund und die National Institutes of Health (grant R01-DK085025) finanziert.